往复走丝线切割工作液应用现状与分析

彭 丽*

(成都工业学院 机械工程系，成都 611730)

1963年张维良创新性地研制出第一台高速走丝简易数控线切割样机，1967—1968年，上海复旦与上海交通电器厂联合研制成功了“复旦型”高速走丝数控线切割机床，形成了我国特有的线切割机床品种，至今已有50年的历史。但与国外先进国家相比，仍存在很多问题，特别是在加工特殊材料方面，前景更是担忧。

1 线切割加工原理

一直以来对往复走丝线切割加工原理的研究无统一定论，通常认为其基本原理是:自由正离子和电子在场中积累，形成一个被电离的导电通道。在此阶段，两极间形成电流，导致离子间发生碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8 000～12 000℃，在通道表面瞬间熔化一些材料。同时，电极和工作液的汽化形成气泡，且其压力不断上升。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡爆炸，产生的冲击力把熔化的物质抛出，并在工作液中重新凝结成小的球体，被电介液排走。

往复走丝线切割机加工每次放电蚀出材料的微观过程可分为4个连续阶段:级间介质的电离、击穿，形成放电通道;介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀;电蚀产物的抛出;级间介质的消电离。

从20世纪90年代起，往复走丝线切割机广泛用于贵金属及稀有金属加工。由于线切割加工轮廓所需余量较少，可以有效地节约贵金属材料，减少消耗，降低成本。这些金属具有特殊的理化性能，因而往复走丝线切割加工时存在的问题较多。首先易产生较大的加工屑，其次电极丝极易粘附加工屑。而加工屑较大也不易冷却，将严重影响加工零件的表面粗糙度及加工精度，以致加工一定时间后出现喷嘴堵塞、导轮及其他机床零件受损等情况，无法正常工作。

线切割加工时实际熔化和汽化的金属在被抛离时，向四处飞溅，除绝大分部抛入工作液中收缩成小颗粒外，由于线切割工作液中的电解质，还有一小分部飞溅度覆、吸附在对面的电极丝表面上。很多文献及线切割工作液研究者认为这种互相飞溅度覆及吸附的现象对电极丝的损耗起到减少和补偿的作用［10］，但笔者认为对低熔点的金属来说这种现象属于过度保护，已形成了对电极丝的电镀作用，特别是铜、银和铝合金。这样就对低熔点的金属特别是低熔点较薄材料的加工相当不利，电蚀产物越大越难以冷却，被电极丝粘附电蚀物可能性更大。

2 加工屑粘附的原因分析

彭丽等［1］认为:脉冲电源参数搭配不当会产生较大的加工屑，放电点的压力p与放电峰值电流Im成正比，与放电时间t成反比。当Im确定后，p随着t的增加而减少，从而使加工屑的直径及体积变大，导致加工屑的热惯性增大即不易冷却。因此，较宽的脉冲宽度易产生较大的加工屑，并易粘附到电极丝上;如果脉冲宽度较窄但间隔过小的话，也会产生较大的加工屑。

彭丽等［2］认为:和电蚀量有关的金属材料性能主要是热学性能(热学常数)。由于电极及工件材料不同，因而热学性能也不一样。材料的蚀出主要取决于金属材料的热学性能、热传导性、材料的熔点、持续时间及其他因素等。发生在电极上材料的蚀出称为损耗，发生在工件材料上的蚀出称为去除材料。

热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，它在固体、液体和气体中都可发生，但严格来说，只有在固体中才是纯粹的热传导。而流体即使处于静止状态，由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流，因此，在流体中热对流与热传导同时发生。

钨、钼、石墨等材料的熔点、沸点很高，所以难以电蚀。而熔点较低的黄铜、合金、铝合金等是容易蚀出的材料，且更容易产生较大电蚀产物。而且低熔点的金属在高温下极易生成氧化物，来不及冷却的氧化物变得不稳定，极易分解成正离子。由往复走丝线切割加工原理可知，钼丝是负极，被加工零件是正极，而分解的正离子是一种极易得到电子的阳离子。因此，处于负极的钼丝极易把正离子吸引过来，当正离子得到电子就还原成金属原子，进而粘附在钼丝上。少量的粘附可以增加钼丝寿命，但过渡粘附就成了问题。如何减少粘附一直以来是需要研究和解决的问题。

3 电火花线切割工作液应用现状

实践证明:电火花线切割加工在液体介质中进行最为稳定，并且工作液的性质对很多加工工艺指标如切割速率、切割表面粗糙度和切精度等都有很大影响。电火花线切割在加工过程中产生的瞬时局部高温易造成电极丝的损伤，影响加工质量，并导致其使用寿命变短，因而需要一种冷却性能较好的液体来达到冷却的目的。

随着线切割机床加工性能的提高、功能设计及技术进步的演变，线切割工作液从早期单一油剂型产品发展到如今的三大类产品:即油剂型、水基型及水油混合型。虽然产品众多，但有相当一部分使用者对工作液的加工性能及操作工艺性能不甚了解;对在相同条件下如何利用相应的工作液，使加工件获得更好的内在质量，缺乏足够地认识;对线切割机床电火花放电技术中作为液体介质的工作液，在保障线切割加工稳定，提高切割速度，加工精度及加工件的粗糙度，降低钼丝损耗方面的功效认识不足。

无论是哪种类型工作液的改进和提高，都是针对切割厚度、切割速度、切割表面粗糙度、切割精度、及延长工作液、钼丝寿命等做文章［3－9］。很多人为追求高效率，高厚度等不断改进工作液，而忽略工作液对特殊材料加工工作性能的要求。而切割速度和表面粗糙度总是矛盾的，怎样在改善切割速度的同时，进一步改善表面粗糙度，一直以来也是往复走丝线切割需要研究的课题之一。但对于低熔点金属材料，特别对于有色金属这方面还没有针对性的工作液。低熔点的金属材料，相对高熔点金属材料更易蚀出，无论电参数怎样改变，都没有解决钼丝粘附黄铜的问题，即使增加工作液的浓度，也只是增强洗涤效果而已。

3.1 工作液的功能

根据线切割加工的原理，工作液必须具有一定的绝缘性能，其作用是让脉冲电源的电压能有效击穿电介质，形成放电通道，从而产生巨大的热量使被加工材料熔化、汽化。同时，巨大的热量也会导致放电电介质在放电通道周围急速膨胀，从而以爆炸的形式带动熔化和汽化后金属抛离放电通道。在进入脉冲间隔期间时，放电通道消失，工作液又起到灭弧降温的作用，等待下一个脉冲的到来，形成下一次的放电通道。再配合进给系统从而使加工能继续下去，得到所需的形状。所以工作液同时起到放电通道形成消失，降温和排除蚀出材料的作用。

不同的化学性能对其功能有一定的影响。冷却功能主要是减少工件变形，提高加工精度，延长电极丝寿命，进而加大切削速度和进给量，提高生产率。水基的合成乳化液冷却性能相对较好，但加工出的工件不易清洗，特别是熔点金属，长久使用会导致机床不好清洁，冷却效果也会受影响。其冷却性能还和喷嘴结构以及工作液流量、喷射方式等有关。

3.2 工作液的主要性能要求

工作液要求具有适中的介电性能。使放电能力相对集中，不允许短路，同时在放电加工结束后，有利于电极间绝缘状态的恢复。工作液的介质电导率的大小没有统一定论，如何寻找电导率的最佳值呢?笔者认为可以遵循以下几个原则:1)要有优良的防锈性能。工作液如果防锈性能不好，时间久了会锈蚀机床和工件，不仅无法正常加工，还将破坏设备和被加工工件。因此防锈性能是线切割工作液的重要条件之一。2)要有一定的爆炸力。用较小的电流能够切割较厚的工件，并有利于排除熔化金属微粒。但对于低熔点金属，特别是较薄低熔点材料的金属加工，怎样控制爆炸剂剂量问题有待研究和实验。3)要有较好的冷却性和冲洗性，以保持机床和工件的清洁，并减少粘性物的残留。4)要有良好的润滑性。以降低电极丝成本，提高表面加工精度从而提高表面加工质量。同时保证加工出的工件能正常取出，且容易清洗。5)工作液应环保，不应产生有害气体。6)还应考虑工作液的流量、压力的稳定性、供液方式和工作液的过滤精度等。适当的工作液压力，可以有效地排除电蚀物等，同时还可以增强其对电极丝的冷却效果;工作液上下冲液的压力要均匀、稳定;工作液的供给要充分，尽量包裹住电极丝，使工作液迅速顺利进入加工区，达到稳定加工的目的;还可增加滤液装置，避免堵塞喷嘴影响冷却效果。

4 线切割工作液的改进

工作液能否在提高加工效率和表面粗糙度等工艺指标的同时，针对低熔点材料的加工进行改进?

往复走丝线切割机使用的电极丝都是钼、钨和钨钼丝。王光君等［11］研究了在钼粉上镀铜，结果表明:钼粉上镀铜与温度和pH值成正比关系。我们可以考虑从工作液的pH值入手来分析线切割加工黄铜为什么会粘附更多的铜屑。

刘仁辉等［12］提出:铜属半贵金属，与平衡氢电极相比，具有较正的电位，但和氧电极电位相比，电位较负。所以在大多数条件下可能进行阴极吸氧腐蚀，而不可能从酸中析出氢。当酸、碱中无氧化剂存在时，铜比较耐蚀;当酸、碱中含氧化剂时，铜会发生腐蚀。

工作液多呈强碱性，如无锡膏状线切割工作液的pH值为11～12，成都DX－1工作液的pH值为10～11，模德模德40型水液体的pH值为10～12，南京特种油厂生产的DX－1和DX－2型线切割工作液的pH值为9～10。因此，工作液对低熔点的金属材料会造成大的腐蚀。

针对铜被广泛应用及其在某些条件下容易受到腐蚀的特点，人们采用了很多方法来防护铜，其中较普遍的是在工作液中添加各种缓蚀剂［13］。

5 结语

资料［14－17］表明:线切割工作液的碱性强弱不同，它在常温下的电导率也不同，针对一般金属材料及高熔点的材料可通过增加电导率来提高线切割加工效率。往复走丝线切割机成本低，加工范围广泛，不仅可以加工贵金属，而且可以加工工程陶瓷材料和结构陶瓷材料。但由于工程陶瓷材料和结构陶瓷材料等材料的特殊性，其在线切割加工中也存在问题。如何针对不同的特殊材料，在线切割工作液中添加不同的添加剂，应该是未来线切割工作液的研究方向。

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